Gli scienziati individuano quando la crosta terrestre si è spezzata, poi ha preso vita
Nuovi dati che indicano che la superficie terrestre si è frantumata circa 3,2 miliardi di anni fa aiutano a chiarire come la tettonica delle placche abbia guidato l’evoluzione della vita complessa.
Il post Scientists Pin Down When Earth’s Crust Cracked, Then Came to Life è apparso per la prima volta su Quanta Magazine .
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Nel 2016, i geochimici Jonas Tusch e Carsten Münker hanno martellato mille libbre di roccia dall'entroterra australiano e l'hanno trasportata via aerea a Colonia, in Germania.
Dopo cinque anni di segatura, frantumazione, dissoluzione e analisi, hanno strappato da quelle rocce un segreto nascosto per eoni: l'era in cui iniziò la tettonica delle placche.
Il carapace fratturato della Terra di placche rigide e interconnesse è unico nel sistema solare. Gli scienziati lo collegano sempre più ad altre caratteristiche speciali del nostro pianeta, come la sua atmosfera stabile, il campo magnetico protettivo e il serraglio di vita complessa. Ma i geologi hanno a lungo dibattuto esattamente quando la crosta terrestre si è rotta nelle placche, con ipotesi in competizione che vanno dal primo miliardo di anni dei 4,5 miliardi di anni di storia del pianeta fino a qualche tempo nell'ultimo miliardo. Queste stime hanno implicazioni molto diverse su come la tettonica a placche influisce su tutto il resto sulla Terra.
La diffusione, la frantumazione e il precipitare delle placche tettoniche forma molto più della semplice geografia. Il riciclaggio della superficie terrestre aiuta a regolare il suo clima, mentre la costruzione di continenti e montagne pompa nutrienti vitali nell'ecosistema. In effetti, la tettonica a placche, se fosse iniziata abbastanza presto, potrebbe essere stata uno dei principali motori dell'evoluzione della vita complessa. E per estensione, lo spostamento delle placche potrebbe essere un prerequisito per la vita avanzata anche su pianeti lontani.
Ora, uno studio delle rocce dell'entroterra australiano di Tusch, Münker e dei loro coautori, pubblicato in Proceedings of the National Academy of Sciences , ha catturato "un'istantanea" dell'avvento della tettonica a placche, ha detto Alan Collins , un geologo presso l'Università di Adelaide in Australia. L'analisi del team degli isotopi di tungsteno nelle rocce rivela la Terra nell'atto di passare alla tettonica a placche circa 3,2 miliardi di anni fa.
I risultati confermano altre prove circostanziali accumulate negli ultimi dieci anni che indicano quella data, ha detto Richard Palin , un petrologo presso l'Università di Oxford. "Supporta il crescente consenso nella comunità geologica che la tettonica delle placche si sia affermata su scala globale" circa 3 miliardi di anni fa, ha detto.
"Ci sono molte persone diverse, provenienti da prospettive molto diverse, che arrivano a una convergenza da 3,2 a 3 miliardi di anni", ha detto Collins.
Motore della Terra
Quando il geologo Alfred Wegener propose per la prima volta la teoria della deriva dei continenti nel 1912, la maggior parte dei suoi colleghi pensò che fosse assurda. Come potrebbero muoversi masse continentali giganti? Wegener non è riuscito a identificare un meccanismo per guidare i suoi continenti alla deriva. E infatti ci vorrebbero altri cinque decenni prima che i geologi scoprissero come la convezione all'interno del mantello terrestre – lo spesso strato di roccia calda tra la crosta e il nucleo – spinge le placche sulla superficie. Alla fine hanno dimostrato che queste placche – 15 principali e dozzine di più piccole – si allargano lungo le dorsali oceaniche, si muovono con il flusso del mantello, si sfregano l'una contro l'altra ai bordi e si tuffano nuovamente nel mantello nelle "zone di subduzione".
"La tettonica a placche offre un modo molto organizzato di spostare la superficie", ha detto Carolina Lithgow-Bertelloni , geofisica presso l'Università della California, Los Angeles. "Allora puoi capire perché ci sono terremoti dove ci sono terremoti, perché ci sono montagne dove ci sono montagne."
Da allora, gli scienziati si sono resi conto che l'atmosfera terrestre, il campo magnetico, il clima stabile e la biodiversità sono tutti collegati alla tettonica delle placche. "Fa funzionare il nostro pianeta nel modo in cui funziona", ha affermato Lithgow-Bertelloni.
Per cominciare, la tettonica delle placche ha aiutato la Terra a mantenere un clima abitabile per miliardi di anni nonostante un sole che si illumina gradualmente. Il nostro clima di Riccioli d'oro deriva in gran parte dalle reazioni chimiche tra l'anidride carbonica nell'aria e i minerali di silicato, che riduce lentamente il livello dei gas serra nell'atmosfera seppellendoli nei sedimenti. La maggior parte di quella reazione di anidride carbonica silicato avviene sui pendii delle montagne formate da placche in collisione.
Inoltre, il riciclaggio del materiale tra il mantello, la crosta, gli oceani e l'atmosfera garantisce un rifornimento continuo di elementi fondamentali per la vita. La tettonica a placche affina il mantello, facendo sì che elementi come il fosforo si accumulino sulla superficie come crosta continentale . Questi elementi fertilizzano la vita nelle acque oceaniche quando le montagne sono esposte alle intemperie e lavate nel mare. E i continenti stessi forniscono immobili illuminati dal sole per nuove specie.
Altrettanto importante, la convezione del mantello consente al calore di fuoriuscire dal nucleo terrestre, aiutando il nucleo a generare un campo magnetico. Il campo si estende lontano nello spazio e protegge l'atmosfera dall'erosione delle tempeste solari.
Ma l'infanzia della Terra era diversa.
Il decadimento radioattivo ha reso l'interno della Terra primordiale molto più caldo di quanto non sia oggi, quindi la sua crosta era flaccida. Per decenni, gli scienziati hanno discusso quando il nucleo si è raffreddato abbastanza da indurire la crosta in piastre che hanno iniziato a muoversi, rompersi, scontrarsi e precipitare. Sapere quando è avvenuta quella fatale transizione "ci permetterebbe di capire meglio cosa ha portato a certi cambiamenti nell'evoluzione della vita, come siamo arrivati al sistema attuale, … come funziona il nostro pianeta oggi", ha detto Lithgow-Bertelloni.
Un record roccioso
Decifrare gli anni di formazione del nostro pianeta è difficile. Le rocce di miliardi di anni fa non sono solo rare, ma anche torturate dal tempo e dalla tettonica. Offrono scorci sconnessi e potenzialmente fuorvianti sul passato.
Diversi scienziati hanno affermato che la tettonica a placche è attiva da almeno 4 miliardi di anni fa. Basano questo su minuscoli cristalli di 4 miliardi di anni la cui chimica ricorda quella delle rocce moderne prodotte nelle zone di subduzione. Ma altri ricercatori ribattono che quei cristalli potrebbero essersi formati in altri modi .
Altri hanno ipotizzato che la tettonica a placche sia iniziata di recente, geologicamente parlando. Indicano tipi di roccia noti per la formazione nelle moderne zone di collisione delle placche che non sembrano mai essere più vecchie di circa 0,7 miliardi di anni. Se non ci sono vecchi esempi di queste rocce, anche la tettonica delle placche deve essere giovane, sostiene l'argomento.
L'aspetto di quelle rocce potrebbe riflettere i cambiamenti avvenuti dopo l'inizio della tettonica a placche, come il lento raffreddamento dell'interno della Terra.
In una certa misura, hanno detto i ricercatori, il disaccordo sulla tempistica illustra come la stessa tettonica delle placche sia cambiata nel tempo. Piuttosto che sperimentare un improvviso passaggio da spento a acceso, l'attività tettonica si è probabilmente evoluta gradualmente verso la sua forma moderna.
Tuttavia, i dati significativi raccolti nell'ultimo decennio suggeriscono che un punto di svolta importante in quell'evoluzione si è verificato circa 3,2 miliardi di anni fa, nel mezzo dell'Eone Archeano. L'inflessione si manifesta in diverse linee di prova.
I traccianti geochimici indicano che ossigeno , anidride carbonica e acqua hanno iniziato a muoversi tra l'atmosfera e il mantello dopo quel periodo. Anche il volume della crosta continentale stabile è aumentato . Solo i diamanti che si sono formati dopo quella data contengono granelli di eclogite , una roccia forgiata da materiale trascinato giù dalla superficie terrestre. E le lave chiamate komatiites, che erano molto calde quando sono esplose, iniziano a scomparire dal record della roccia, segnalando ulteriormente che il mantello aveva iniziato a circolare.
Due documenti giganti pubblicati nel 2020 da diversi team hanno esaminato le prove e hanno concluso in modo indipendente che la tettonica delle placche è iniziata circa 3,2 miliardi di anni fa. Il record della Terra rimane ambiguo e per alcuni il dibattito continua. Ma le nuove scoperte sul tungsteno forniscono una "impronta chimica chimica", ha detto Collins, a sostegno del consenso emergente.
Segnale dall'infanzia della Terra
Nel 2015, presso l'Università di Colonia, Tusch e Münker hanno ideato un nuovo modo per sondare l'insorgenza della tettonica a placche. Si sono concentrati sul tungsteno-182, un isotopo del tungsteno che si è formato dal decadimento radioattivo dell'afnio-182 entro 60 milioni di anni dalla formazione del sistema solare. "È una traccia dei primi 60 milioni di anni della Terra", ha detto Münker.
Il tungsteno-182 dovrebbe essere relativamente abbondante nelle rocce dall'inizio della storia della Terra. Una volta iniziata la tettonica delle placche, tuttavia, la zangolatura convettiva del mantello avrebbe mescolato il tungsteno-182 con gli altri quattro isotopi del tungsteno, producendo rocce con valori di tungsteno-182 uniformemente bassi.
Tusch e Münker hanno sviluppato un nuovo potente metodo per estrarre minuscole tracce di tungsteno da rocce antiche. Poi sono andati a cercare le rocce.
Per prima cosa hanno analizzato le rocce archeane raccolte nella regione di Isua, nella Groenlandia occidentale. Tusch ha trascorso 11 mesi ad analizzare i campioni, ma alla fine i suoi dati sul tungsteno-182 erano piatti , senza variazioni significative tra i campioni. I ricercatori hanno ipotizzato che le rocce della Groenlandia fossero state deformate e riscaldate nel corso della loro storia, rimescolando le loro informazioni geochimiche.
Avevano bisogno di rocce migliori, quindi si diressero a Pilbara nell'Australia occidentale. "Ha alcune delle rocce archeane meglio conservate dell'intero pianeta", ha detto Münker. "Non hanno visto molto riscaldamento rispetto a rocce simili di quell'età."
"Volevo davvero trovare campioni che non mostrassero lo stesso valore più e più volte", ha detto Tusch.
Guidato dal coautore Martin Van Kranendonk dell'Università del New South Wales, il team ha attraversato l'Outback con camion fuoristrada, visitando affioramenti rosso ruggine dove antiche rocce vulcaniche e vegetazione si imitano a vicenda: i cespugli di Spinifex agli affioramenti sono in parte silice , rendendoli appuntiti e immangiabili a tutto tranne che alle termiti. Hanno martellato una promettente mezza tonnellata di rocce e lave che si sono formate tra 2,7 miliardi e 3,5 miliardi di anni fa.
Tornato in Germania, Tusch si mise al lavoro. Ha usato una sega da roccia per raggiungere la roccia fresca all'interno di ogni campione, quindi ha lucidato alcune fette fino a metà della larghezza di un capello umano per renderle traslucide per la microscopia. Ha frantumato il resto e concentrato il tungsteno, quindi ha analizzato i rapporti degli isotopi del tungsteno in uno spettrometro di massa.
In quasi due anni, i risultati si sono diffusi. Questa volta i rapporti isotopici non erano piatti. "È stato davvero bello da vedere", ha osservato Tusch.
Le concentrazioni di tungsteno-182 sono iniziate in alto nelle rocce formate prima di 3,3 miliardi di anni fa, dimostrando che il mantello non si stava ancora mescolando. Quindi i valori sono diminuiti di oltre 200 milioni di anni fino a raggiungere livelli moderni di 3,1 miliardi di anni fa. Quel declino riflette la diluizione dell'antico segnale del tungsteno-182 quando il mantello sotto Pilbara iniziò a mescolarsi. Quel mescolamento mostra che la tettonica delle placche era iniziata.
La Terra si trasformerebbe rapidamente da un mondo acquatico costellato di isole vulcaniche simili all'Islanda in un mondo di continenti con montagne, fiumi e pianure alluvionali, laghi e mari poco profondi.
Un nuovo mondo fatto per la vita
La data di inizio di circa 3,2 miliardi di anni fa aiuta a chiarire come la tettonica delle placche abbia avuto un impatto sulla vita sulla Terra.
La vita è iniziata in anticipo, più di 3,9 miliardi di anni fa , e 3,48 miliardi di anni fa produceva piccoli cumuli di sedimenti a Pilbara chiamati stromatoliti. Ciò dimostra che la tettonica a placche non è un prerequisito per la vita al suo livello più elementare. Eppure probabilmente non è un caso che la vita si sia diversificata proprio quando è iniziata la tettonica delle placche.
Con la tettonica delle placche arrivarono mari e laghi poco profondi illuminati dal sole fertilizzati con sostanze nutritive erose dalle rocce continentali. I batteri si sono evoluti in questi ambienti per raccogliere la luce solare attraverso la fotosintesi, generando ossigeno .
Per altri mezzo miliardo di anni, questo ossigeno è rimasto a malapena un soffio nel cielo, in parte perché ha reagito immediatamente con il ferro e altre sostanze chimiche. Inoltre, ogni molecola di ossigeno generata nella fotosintesi è abbinata a un atomo di carbonio e questi si ricombinano facilmente in anidride carbonica senza alcun guadagno netto di ossigeno nell'atmosfera, a meno che il carbonio non sia sepolto.
A poco a poco, però, la tettonica a placche ha fornito la terra ei sedimenti in cui seppellire sempre più carbonio ( fornendo anche molto fosforo per stimolare i batteri fotosintetici). L'atmosfera alla fine si è ossigenata 2,4 miliardi di anni fa.
L'ossigeno ha preparato il pianeta per l'emergere di piante, animali e quasi tutto il resto con un metabolismo basato sull'ossigeno. La vita più grande e più complessa dei microbi richiede più energia e gli organismi possono produrre molta più molecola vitale che trasporta energia chiamata ATP con l'ossigeno di quanto potrebbero senza di essa. "L'ossigeno è davvero importante per ciò che consideriamo la vita complessa", ha affermato Athena Eyster del Massachusetts Institute of Technology.
Il progresso verso la complessità si è bloccato durante l'era del "noioso miliardo", il regno di circa un miliardo di anni del supercontinente Nuna-Rodinia. Con i continenti bloccati in un ingorgo, sostengono Ming Tang dell'Università di Pechino e colleghi, le montagne si sono completamente erose, riducendo il flusso di sostanze nutritive nell'oceano e abbassando i livelli di ossigeno.
Alla fine il supercontinente si è spezzato e nuove montagne sono cresciute ed hanno esportato di nuovo sostanze nutritive. Solo allora – circa 600 milioni di anni fa – gli organismi complessi si diversificarono e si ingrandirono, cavalcando il secondo aumento di ossigeno della Terra.
La complessa vita animale è esplosa negli oceani 540 milioni di anni fa e subito dopo sulla terraferma. La terraferma era ora abitabile perché l'ossigeno nella stratosfera formava ozono che proteggeva la vita terrestre dalle radiazioni ultraviolette.
"Potenzialmente, ci sono molti altri pianeti che sono analoghi per un mondo archeano, forse senza tettonica a placche, che potrebbero avere vita", ha detto Eyster, ma "potrebbe essere molto più difficile avere una vita complessa su un pianeta senza tettonica a placche. "
Considera Marte. Marte e Terra erano abbastanza simili per il loro primo miliardo di anni. Ma Marte non ha mai sviluppato la tettonica a placche, forse perché è più piccolo della Terra, quindi la sua pressione interna era insufficiente per guidare la convezione del mantello su larga scala. Invece, ha sviluppato rapidamente una crosta spessa che non favorisce la formazione di placche mobili. Oggi Marte è rosso ruggine, con poca acqua superficiale, nessun campo magnetico e scarsa atmosfera.
Ma per la tettonica delle placche quello potrebbe essere stato anche il destino della Terra.
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Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/ancient-rocks-reveal-when-earths-plate-tectonics-began-20210325/ in data Thu, 25 Mar 2021 14:50:30 +0000.